KR102033046B1 - System and method for converting electromagnetic radiation to electrical energy - Google Patents

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Abstract

공진 주파수에서 방출되는 에너지, 예컨대 열 또는 빛을 캡쳐하도록 동조된 공진 구조(resonant structure) 및 상기 캡쳐된 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전달 구조(transfer structure)를 포함하는 나노안테나가 개시된다. CPS(co-planar strip)는 상기 공진 구조 요소와 상기 전달 구조 간의 임피던스 매칭을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 나노안테나의 어레이는 복수의 나노안테나로부터 출력되는 전기 에너지를 제공하도록 나노안테나 어레이를 형성한다. 상기 나노안테나 어레이는 파워 소스로서 디바이스 또는 장치에 결합될 수 있다.A nanoantenna is disclosed that includes a resonant structure tuned to capture energy emitted at a resonant frequency, such as heat or light, and a transfer structure that converts the captured energy into electrical energy. Co-planar strips (CPS) can be used to provide impedance matching between the resonant structural element and the transfer structure. The array of nanoantennas forms a nanoantenna array to provide electrical energy output from the plurality of nanoantennas. The nanoantenna array can be coupled to a device or device as a power source.

Figure R1020147019117
Figure R1020147019117

Description

전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONVERTING ELECTROMAGNETIC RADIATION TO ELECTRICAL ENERGY}System and method for converting electromagnetic radiation into electrical energy {SYSTEM AND METHOD FOR CONVERTING ELECTROMAGNETIC RADIATION TO ELECTRICAL ENERGY}

[관련 출원의 상호 참조][Cross Reference of Related Application]

본 출원은 2011년 12월 9일자로 출원된 미국 가출원 제61/569,205호의 이득을 주장하며, 상기 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로서 포함된다.This application claims the benefit of US Provisional Application No. 61 / 569,205, filed December 9, 2011, which is incorporated herein by reference in its entirety.

[기술분야][Technical Field]

본 발명의 실시예들은 일반적으로, 전자기 방사로부터 에너지를 수확하기 위한 구조들 및 방법들에 관한 것이며, 특히 예컨대, 적외선, 근적외선 및 가시 스펙트럼들로부터 에너지를 수확하고 밀리미터 및 테라헤르츠(Terahertz)의 에너지를 캡쳐하기 위한 나노구조(nanostructure)들 그리고 관련 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.Embodiments of the present invention generally relate to structures and methods for harvesting energy from electromagnetic radiation, and in particular to harvesting energy from, for example, infrared, near infrared and visible spectra and to energy in millimeters and terahertz. To nanostructures and related methods and systems for capturing the structure.

지금 세계적으로 저렴한 재생가능 에너지가 매우 필요하다. 아이러니하게도, 태양광 및 열의 형태로 이용가능한 풍부한 에너지가 존재하지만, 우리 사회의 그러한 필요(needs)를 지원하기 위해 이 에너지를 이용하는 것에는 상기 에너지를 전기적인 형태로 변환해야 함이 요구된다. 오늘날 사용되는 대부분의 전기 에너지는 열을 수반하는 변환 프로세스로부터 비롯된다. 핵, 석탄, 디젤 및 천연 가스로 파워를 공급받는 전기 발전소(electrical generation plant)들 모두는 저장된 형태의 에너지를 전기로 변환하기 위한 열로 변환한다. 이러한 발전소들의 프로세스들은 비효율적이며, 종종 전기로 변환되는 것보다 많은 열을 낭비되게 생성한다.There is a great need for cheap renewable energy worldwide. Ironically, there is abundant energy available in the form of sunlight and heat, but the use of this energy to support such needs of our society requires the conversion of this energy into electrical form. Most of the electrical energy used today comes from conversion processes involving heat. Electrical generation plants powered by nuclear, coal, diesel, and natural gas all convert the stored form of energy into heat for conversion to electricity. The processes of these power plants are inefficient and often produce more heat than is converted to electricity.

열 소스들을 이용가능한 전력으로 수확하는 것은 특히 저비용으로 이루어지는 것이 바람직하다. 이러한 점에서 터빈(turbine)에 기반한 해법들의 비용은 잘 정립되어 있다. 열을 전력으로 변환하는 것에 대한 새로운 기술적인 해법들의 존재는 상대적으로 성숙된 환경(mature environment)의 진입을 의미한다. 상기 필요 및 고정된 비용 환경 때문에, 새로운 기술들이 이러한 영역들을 해결하려 하고 있다. 상기 새로운 기술들 중에는 TPV(thermo photovoltaic), TE(thermoelectric) 및 ORC(organic rankine cycle)가 있다.Harvesting the heat sources with available power is particularly desirable at low cost. In this respect, the cost of turbine-based solutions is well established. The existence of new technical solutions to the conversion of heat into power means the entry of a relatively mature environment. Because of this need and a fixed cost environment, new technologies are trying to address these areas. Among the new technologies are thermo photovoltaic (TPV), thermoelectric (TE) and organic rankine cycle (ORC).

TPV 기술은, PV(photovoltaic)가 단파 방사를 변환하고 적외선(IR) 및 근적외선에서 발견되는 장파는 변환하지 못하기 때문에 열 변환을 진행하는 데 있어 어려운 시기를 겪었다. 이 장파 에너지를 PV 셀로 가져오는 새로운 마이크론 갭 방법들은 장파 방사의 이러한 유입(influx)에 보다 적절한 변환 기술을 여전히 필요로 한다. PV 셀 밴드 갭은 에너제릭한 광자(energetic photon)들에만 편파적(favor)인 바, 그 이유는 낮은 에너지의 광자들은 상기 갭을 극복할 에너지를 가지지 못하고 결국 흡수되어 PV 셀에 열을 발생시키기 때문이다.TPV technology has been a difficult time to undergo thermal conversion because photovoltaic (PV) converts shortwave radiation and does not convert longwaves found in infrared (IR) and near infrared. New micron gap methods of bringing this long wave energy into PV cells still require conversion techniques more appropriate for this influx of long wave radiation. The PV cell band gap is favored only for energetic photons because low energy photons do not have energy to overcome the gap and are eventually absorbed to generate heat in the PV cell. to be.

TE는 낮은 효율로 열을 전력으로 변환할 뿐이었다. 지금까지 TE는 에너지 변환에 있어서 상당한 효율을 제공하기 위한 돌파구(breakthrough)를 찾을 수 없었다. 비록 그렇다 하더라도, TE는 대안적인 열-전기 변환 기술들을 위해 가장 필요로 되는 것으로 이야기되는 자동 낭비열 복구(recovery)의 응용을 갖는 것으로 밝혀졌다.TE only converted heat to power with low efficiency. To date, TE has not found a breakthrough to provide significant efficiency in energy conversion. Even so, TE has been found to have the application of automatic waste heat recovery, which is said to be the most needed for alternative thermo-electric conversion techniques.

ORC 기술은 열 교환기들과 함께 터빈들을 연쇄(chaining)시킴으로써 낭비열을 수확하며, 상기 열 교환기들 각각은 이 기술의 시스템에서 낮은 끊는 점의 액체를 가진다. 이 시스템들은 부피가 크고(bulky), 다수의 움직이는 부분(moving part)들을 가진다. 이들은 또한, 액체들의 특성들에 제한되며, 궁극적으로는 시간, 공간, 및 작업 공간에서의 추가적인 시스템들의 마진 결과들(marginal results)의 제한에 제한된다.ORC technology harvests waste heat by chaining turbines together with heat exchangers, each of which has a low breakpoint liquid in the system of the technology. These systems are bulky and have a number of moving parts. They are also limited to the properties of the liquids and ultimately to the limitations of the marginal results of additional systems in time, space and work space.

쌍을 이룬 나노안테나 및 다이오드 어레이들의 표면들의 기술은 에너지 수확 응용에 대한 엄청난 장점들을 제시한다. 낭비열 복구의 영역에서, 이 시스템들은 이들이 어떤 움직이는 부분들도 가지지 않기 때문에 이상적이고, 제조하기에 저렴하며, 그리고 타겟 소스의 주파수 스펙트럼에 동조될(tuned) 수 있다. 소스의 스펙트럼 특성들에 시스템의 수집 요소(collecting element)들을 동조시키는 능력은 이 시스템을 낭비열 응용들뿐만 아니라 일반적으로는 열 수확에 그리고 궁극적으로는 또한 태양 에너지 수확에 이상적이게 만든다. 논의의 편이를 위해, 이들 시스템들의 콜렉터 어레이(collector array) 컴포넌트들은 나노안테나 전자기 콜렉터(NEC: Nanoantenna Electromagnetic Collector)라 칭해진다.The technology of the surfaces of paired nanoantennas and diode arrays presents tremendous advantages for energy harvesting applications. In the area of wasted heat recovery, these systems are ideal because they do not have any moving parts, are cheap to manufacture, and can be tuned to the frequency spectrum of the target source. The ability to tune the system's collecting elements to the spectral characteristics of the source makes this system ideal for waste heat applications as well as heat harvesting in general and ultimately also for solar energy harvesting. For ease of discussion, the collector array components of these systems are called Nanoantenna Electromagnetic Collectors (NECs).

본 발명의 일 실시예는 에너지 수확 시스템이다. 이 시스템의 요소들에 대한 토대는 미국 특허 제7,792,644호 및 제6,534,784 B2호 그리고 미국 특허 출원공개 번호 제2010/0284086호 및 제2006/0283539호에서 찾아볼 수 있으며, 이들 각각은 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다. 본 실시예는 이용가능한 복사 에너지(radiant energy)의 범위의 주파수들에 동조된 공진 요소(resonant element)들을 포함한다. 전형적으로, 이러한 주파수들은 적외선에서의 약 10THz로부터 1000THz(가시광)를 초과하는 주파수까지의 주파수 범위에 있다. 상기 공진 요소들은 전기적으로 도전성인 물질로 구성되며, 공진 및 전달(transfer) 요소 쌍들을 형성하기 위해 공진 요소 내에 스티뮬레이션된 전기 에너지를 직류 전류(direct current)로 변환하기 위한 전달 요소와 결합된다. 공진 요소 및 전달 요소 쌍들은 예컨대, 동작하기 위해 소싱된 전기 에너지를 요하는 전기 회로 또는 다른 장치 또는 디바이스를 위한 소스를 형성하도록 기판에 매립되고 상호 연결된 어레이들로 구성된다. 실시예에서, 공진 요소들은 임피던스 밸런싱 기술, 가령 CPS(co-planar strip) 전송 라인 또는 요소들 간의 임피던스를 밸런싱하는 다른 디바이스 또는 기술을 통해 전송 요소들에 연결될 수 있다. 임피던스 매칭의 다른 방법들 역시 하기에 상세히 논의되는 바와 같이 이용될 수 있다.One embodiment of the invention is an energy harvesting system. The basis for the elements of this system can be found in US Pat. Nos. 7,792,644 and 6,534,784 B2 and in US Patent Application Publication Nos. 2010/0284086 and 2006/0283539, each of which is hereby incorporated by reference in its entirety. Is incorporated by reference. This embodiment includes resonant elements tuned to frequencies in the range of available radiant energy. Typically, these frequencies are in the frequency range from about 10 THz in infrared to frequencies above 1000 THz (visible light). The resonant elements are composed of an electrically conductive material and are coupled with a transfer element for converting simulated electrical energy into direct current in the resonant element to form pairs of resonant and transfer elements. The resonant element and transfer element pairs consist of arrays embedded and interconnected to a substrate, for example, to form a source for an electrical circuit or other apparatus or device that requires sourced electrical energy to operate. In an embodiment, the resonant elements may be connected to the transmission elements via an impedance balancing technique, such as a co-planar strip (CPS) transmission line or other device or technique that balances the impedance between the elements. Other methods of impedance matching can also be used as discussed in detail below.

또한, 흡수되지 않은 방사를 공진 요소들에 다시 반영하도록 공진 갭을 생성하는 공진 요소로부터의 1/4 파장의 거리로 설정된 도전성 물질의 접지 플레인이 포함된다. 본 실시예의 모든 컴포넌트들, 요소들 및 기판은 이들이 롤-투-롤(roll-to-roll)과 같은 저비용의 방법으로 제조될 수 있게 하는 금속들 및 물질들로 구성된다.Also included is a ground plane of conductive material set to a distance of a quarter wavelength from the resonant element that creates a resonant gap to reflect the unabsorbed radiation back into the resonant elements. All components, elements and substrates of this embodiment are composed of metals and materials that allow them to be manufactured in a low cost method such as roll-to-roll.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다른 에너지 수확 시스템이 제공된다. 이 시스템은 접지 플레인, 기판 및 공진 요소들 및 전달 요소들을 포함한다. 이 시스템에서, 공진 요소들은 IR 또는 IR 및 근적외선에서의 주파수들에 동조되어서, 시스템은 열 소스들로부터 방사되는 에너지를 수확할 수 있다. 열 수확 환경들의 특정 성질(nature)은 롤-투-롤 생산 방법들을 변경시킬 수 있는 제한된 플렉서빌리티(flexibility)의 높은 온도 공차 기판 물질들을 지정(dictate)할 수 있다. 이 시스템은 석탄 발전소(coal power plant)들로부터의 낭비열과 같은 열을 전기로 변환시키기 위한 어떤 응용에 사용될 수 있거나, 또는 심지어는 전기 생성 응용들에서 터빈을 대체할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, another energy harvesting system is provided. The system includes a ground plane, a substrate and resonant elements, and transfer elements. In this system, the resonant elements are tuned to frequencies in IR or IR and near infrared, so that the system can harvest energy radiated from the heat sources. The specific nature of the heat harvesting environments can dictate limited flexibility high temperature tolerance substrate materials that can alter roll-to-roll production methods. This system can be used in any application for converting heat, such as waste heat from coal power plants, into electricity, or even replace a turbine in electricity generation applications.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다른 에너지 수확 시스템이 제공된다. 이 시스템은 접지 플레인, 기판, 공진 요소들 및 전달 요소들을 포함한다. 이 시스템에서, 공진 요소들은 IR 또는 IR 및 근적외선에서의 주파수들에 동조되어서, 시스템은 열 소스들로부터 수확을 할 수 있다. 이 실시예에서, NEC 시스템은 유입 장파 에너지를 전기로 변환하기 위해 종래의 TPV 시스템들과 인터페이싱하여, 이 TPV 시스템들의 콜렉터들로서 역할한다. 이 실시예에서, TPV 시스템은 유입 에미터(emitter) 방사를 이 방사의 스펙트럼 형태로 변환하는 NEC 시스템 층의 능력에 의해 현저하게 개선된다. 이 실시예의 일 형태에서, NEC 시스템이 넓은 스펙트럼을 수확하도록 구성되기 때문에 필터층이 필요로 되지 않는다. 다른 실시예들에서, 유입 스펙트럼 에너지의 일부를 필터링하여 이를 에미터로 다시 반영하는 일부 장점들이 있을 수 있다. 어떤 경우에서든, NEC 층은 TPV 필터의 재료 요건들을 과감히 감소시키는 바, 이는 상당한 장점을 갖는 것이다.According to another embodiment of the present invention, another energy harvesting system is provided. The system includes a ground plane, a substrate, resonant elements, and transfer elements. In this system, the resonant elements are tuned to frequencies in IR or IR and near infrared, so that the system can harvest from heat sources. In this embodiment, the NEC system interfaces with conventional TPV systems to convert incoming long wave energy into electricity, serving as collectors of these TPV systems. In this embodiment, the TPV system is significantly improved by the ability of the NEC system layer to convert incoming emitter radiation into the spectral form of this radiation. In one form of this embodiment, no filter layer is needed since the NEC system is configured to harvest a broad spectrum. In other embodiments, there may be some advantages of filtering a portion of the incoming spectral energy and reflecting it back to the emitter. In any case, the NEC layer drastically reduces the material requirements of the TPV filter, which has significant advantages.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 다른 에너지 수확 시스템이 제공된다. 이 시스템은 접지 플레인, 기판, 공진 요소들 및 전달 요소들을 포함한다. 이 시스템에서, 공진 요소들은 IR 또는 IR 및 근적외선에서의 주파수들에 동조되어서, 시스템은 열 소스들로부터 방사되는 에너지를 수확할 수 있다. 이 실시예에서, NEC 시스템은 유입 장파 에너지를 전기로 변환하기 위해 종래의 마이크론 갭 TPV(MTPV) 시스템들과 인터페이싱하여 MTPV 시스템들의 콜렉터로서 역할한다.According to another embodiment of the present invention, another energy harvesting system is provided. The system includes a ground plane, a substrate, resonant elements, and transfer elements. In this system, the resonant elements are tuned to frequencies in IR or IR and near infrared, so that the system can harvest energy radiated from the heat sources. In this embodiment, the NEC system interfaces with conventional micron gap TPV (MTPV) systems to serve as a collector of MTPV systems to convert incoming long wave energy into electricity.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CPS 및 다이오드를 갖는 안테나를 도시하는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 안테나, 기판 및 접지 플레인의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 세그먼트들을 연결하는 예시적인 전달 구조의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 어레이의 상호연결 요소들을 도시하는 예시적인 버스의 개략도이다.
도 5는 임피던스/저항(resistance)을 감소시키도록 복수의 전달 구조들에 의해 연결된 CPS를 갖는 안테나를 도시하는 개략도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수확을 위한 NEC 층을 갖는 MTPV 디바이스의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 TPV 디바이스에 NEC 수확 물질을 사용하는 것을 도시한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 NEC 막을 사용하는 디바이스 또는 장치에 파워를 제공하기 위한 예시적인 전체 시스템도의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열 수확을 위한 예시적인 열 소스 및 NEC 막의 도면이다.
도 10은 안테나와 동일한 물질로 구성된 단일 층 다이오드에 대해 공진 구조 세그먼트들을 연결하는 예시적인 다이오드 영역의 단면도이다.
도 11은 안테나와 다른 물질로 구성된 단일 층 다이오드에 대해 공진 구조 세그먼트들을 연결하는 예시적인 다이오드 영역의 단면도이다.
1 is a schematic diagram illustrating an antenna having a CPS and a diode according to an embodiment of the present invention.
2 is a cross-sectional view of an exemplary antenna, substrate, and ground plane in accordance with an embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of an exemplary delivery structure for connecting antenna segments in accordance with an embodiment of the present invention.
4 is a schematic diagram of an exemplary bus illustrating the interconnecting elements of an array in accordance with an embodiment of the invention.
5 is a schematic diagram illustrating an antenna having a CPS connected by a plurality of transfer structures to reduce impedance / resistance.
6 is a schematic diagram of an MTPV device having an NEC layer for harvesting according to an embodiment of the present invention.
7 illustrates the use of NEC harvesting material in a TPV device in accordance with an embodiment of the present invention.
8 is a schematic diagram of an exemplary overall system diagram for powering a device or apparatus using an NEC film in accordance with an embodiment of the present invention.
9 is a diagram of an exemplary heat source and NEC film for heat harvesting according to an embodiment of the invention.
10 is a cross-sectional view of an exemplary diode region connecting resonant structure segments for a single layer diode made of the same material as the antenna.
11 is a cross-sectional view of an exemplary diode region connecting the resonant structure segments for a single layer diode composed of a material different from the antenna.

다음의 상세한 설명은 이 기술 분야의 통상의 숙련자로 하여금 본 발명을 만들고 사용하도록 제시되며, 본 출원 및 이의 요건들의 맥락에서 제공된다. 기술된 실시예들에 대한 다양한 수정들은 이 기술 분야의 숙련자들에게 쉽게 인지될 것이며, 본 명세서의 일반적인 원리들은 다른 실시예들에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시예들에 제한되도록 의도된 것이 아니라, 본 명세서에 기술된 원리들 및 특징들과 일관된 가장 넓은 범위로 해석되기 위한 것이다.The following detailed description is presented to those skilled in the art to make and use the invention, and is provided in the context of the present application and its requirements. Various modifications to the described embodiments will be readily apparent to those skilled in the art, and the generic principles herein may be applied to other embodiments. Thus, the present invention is not intended to be limited to the embodiments shown, but is to be construed to the broadest scope consistent with the principles and features described herein.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 CPS 및 다이오드를 갖는 안테나를 도시하는 개략도이다. 도 1을 참조하면, 실시예에 따른 공진 구조가 (본 명세서에 공진 구조 요소들로서도 지칭되는) 공진 구조 컴포넌트들(101 및 102)을 포함한다. 실시예에서, 공진 구조는 안테나 또는 나노안테나이다. 공진 구조 컴포넌트들(101 및 102)은 CPS(105)에 의해 전달 구조(103)에 연결된다. 전달 구조(103)는 공진 구조 컴포넌트들(101 및 102)에 의해 스티뮬레이션된 전기 에너지를 직류 전류로 변환한다. CPS(105)는 공진 구조 요소들(101 및 102)과 전달 구조(103) 간의 임피던스를 매칭하기 위한 메커니즘을 생성한다.1 is a schematic diagram illustrating an antenna having a CPS and a diode according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, a resonant structure in accordance with an embodiment includes resonant structural components 101 and 102 (also referred to herein as resonant structural elements). In an embodiment, the resonant structure is an antenna or nanoantenna. The resonant structural components 101 and 102 are connected to the transmission structure 103 by the CPS 105. The transfer structure 103 converts electrical energy simulated by the resonant structure components 101 and 102 into direct current. The CPS 105 creates a mechanism for matching the impedance between the resonant structural elements 101 and 102 and the transfer structure 103.

안테나 또는 나노안테나의 규모(dimenstion)들은 관심 있는 요구되는 주파수 범위(desired frequency range of interest)에 따라 선택된다. 물질들 및 규모들이 미국 특허 제7,792,644호 및 미국 특허 출원공개번호 제2010/0284086호에 기술된 방법들에 의해 선택된다.The dimensions of the antenna or nanoantenna are selected according to the desired frequency range of interest. Materials and scales are selected by the methods described in US Pat. No. 7,792,644 and US Patent Application Publication No. 2010/0284086.

일 실시예에서, 전달 구조는 MIIM(metal double insulator metal) 다이오드이다. 예시적인 이러한 MIIM은 미국 특허 제6,534,784호에 기술되며, 상기 특허는 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다. 이러한 타입의 다이오드는 실시예에 장점적인 바, 그 이유는 상기 다이오드가 금속들 및 절연체들의 층들로 구성되기 때문이다. 이러한 구조는 상기 다이오드로 하여금 금속의 층들로 구성된 공진 구조들의 제조와 일관된 방식으로 제조되게 한다. 예를 들어, 이러한 구조는 도 2에 관하여 기술된다.In one embodiment, the transfer structure is a metal double insulator metal (MIIM) diode. Exemplary such MIIM is described in US Pat. No. 6,534,784, which is incorporated herein by reference in its entirety. This type of diode is advantageous for the embodiment because the diode consists of layers of metals and insulators. This structure allows the diode to be manufactured in a manner consistent with the manufacture of resonant structures composed of layers of metal. For example, such a structure is described with respect to FIG. 2.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 예시적인 안테나, 기판 및 접지 플레인의 A-A' 단면도이다. 도 2는 기판 및 매립된 공진 구조 요소들(101 및 102)을 공진 구조층 요소들(201 및 202)로서 도시한다. 추가적으로, 기판(S) 물질의 공진 갭들(204 및 205)은 공진 구조층 요소들(202 및 201) 각각과 접지 플레인(203)과의 사이에 도시된다. IR 영역의 실시예들에 대한 예시적인 물질들은 접지 플레인 및 공진 구조들에서의 Ni, Ag 또는 Au와 같은 금속들, 및 폴리이미드 물질의 캡톤(Kapton)과 같이 IR에 투명한(transparent) 유전체들을 포함한다. 공진 갭 거리는 피크 주파수 선택을 통해 결정된 것으로서 바람직하게는 1/4 파장이다. 공진 구조층 요소들(201 및 202), 공진 갭들(204 및 205) 및 접지 플레인(203)의 동작은 미국 특허 출원공개번호 제2010/0284086호에 기술되며, 상기 출원공개는 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다.2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of an exemplary antenna, substrate, and ground plane in accordance with an embodiment of the present invention. 2 shows the substrate and embedded resonant structural elements 101 and 102 as resonant structural layer elements 201 and 202. Additionally, resonant gaps 204 and 205 of the substrate S material are shown between each of the resonant structure layer elements 202 and 201 and the ground plane 203. Exemplary materials for embodiments of the IR region include metals such as Ni, Ag, or Au in the ground plane and resonant structures, and dielectrics transparent to IR, such as Kapton of polyimide material. do. The resonance gap distance is determined through peak frequency selection and is preferably 1/4 wavelength. The operation of resonant structure layer elements 201 and 202, resonant gaps 204 and 205 and ground plane 203 are described in US Patent Application Publication No. 2010/0284086, which is incorporated herein in its entirety. Is incorporated by reference.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 안테나 세그먼트들을 연결하기 위해 사용되는 CPS(105)의 예시적인 전달 구조(103)의 B-B' 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 전달 구조(103)는 (궁극적으로는 도 1에 도시된 바와 같은 공진 구조 컴포넌트들(101 및 102)에 연결되는) 두 개의 CPS 요소들(105)에 연결되는 물질층들을 포함한다.3 is a cross-sectional view taken along line B-B 'of an exemplary delivery structure 103 of a CPS 105 used to connect antenna segments in accordance with an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3, the transmission structure 103 is a material connected to two CPS elements 105 (which is ultimately connected to the resonant structural components 101 and 102 as shown in FIG. 1). Layers.

실시예에서, 금속층(304)은 전달 구조의 부분으로서 역할하는 MIIM 다이오드 구조의 하부층(bottom layer)을 형성한다. 금속 영역(305)은 공진 구조층 요소(202)에 금속층(304)을 연결하고, 그럼으로써 안테나 층 요소(202)에 전기적 전도 경로를 제공한다. 금속층(304) 상에 절연층들(302)이 증착된다. 예시적인 이러한 절연층들의 증착은 미국 특허 제6,534,784호에 기술되며, 상기 특허는 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다. 마지막으로, 금속 상부층(top layer)(301)이 CPS(105)/공진 구조 요소(101)(도 1 참조)로의 전기적 연결을 완성하기 위해 그리고 MIIM 다이오드 구조를 완성하기 위해 증착된다. 임피던스 밸런싱을 제공하기 위한 다른 전달 구조들이 가능하다. 예를 들자면, 탄도 다이오드(ballistic diode)들, 기하학적 다이오드(geometric diode)들, 핀 포인트 다이오드들이 있다. 이러한 다른 전달 구조들 중 일부는 본 실시예에 기술된 바와 같은 동작을 위해 복수의 층들을 필요로 하지 않을 수 있거나 또는 다른 수의 층들 및 다른 기하학적 구조(geometries)를 요할 수 있다.In an embodiment, the metal layer 304 forms a bottom layer of the MIIM diode structure that serves as part of the transfer structure. The metal region 305 connects the metal layer 304 to the resonant structure layer element 202, thereby providing an electrically conductive path to the antenna layer element 202. Insulating layers 302 are deposited on metal layer 304. Exemplary deposition of such insulating layers is described in US Pat. No. 6,534,784, which is incorporated herein by reference in its entirety. Finally, a metal top layer 301 is deposited to complete the electrical connection to the CPS 105 / resonant structural element 101 (see FIG. 1) and to complete the MIIM diode structure. Other transfer schemes are possible to provide impedance balancing. For example, there are ballistic diodes, geometric diodes, pin point diodes. Some of these other delivery structures may not require multiple layers for operation as described in this embodiment or may require different numbers of layers and other geometries.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 어레이의 상호연결 요소들을 도시하는 예시적인 버스의 개략도이다. 도 4는 직렬의 상호연결 리드(lead)들(401 및 402)을 갖는 상기 기술된 공진 구조 요소들의 서브-어레이들(405)을 도시한다. 복수의 서브-어레이들(405)은 전기 회로와 같은 디바이스, 또는 동작하기 위해 전기 에너지를 요하는 다른 디바이스 또는 장치에 파워를 제공하도록 리드들(403 및 404)에 병렬로 상호연결된다.4 is a schematic diagram of an exemplary bus illustrating the interconnecting elements of an array in accordance with an embodiment of the invention. 4 shows sub-arrays 405 of the resonant structural elements described above having series interconnect leads 401 and 402. The plurality of sub-arrays 405 are interconnected in parallel to the leads 403 and 404 to provide power to a device, such as an electrical circuit, or another device or apparatus that requires electrical energy to operate.

복수의 서브-어레이들(405)의 이러한 조합은 저렴한 방법들에 의해 제조되는 물질의 넓은 표면 영역들에 구현될 수 있다. 예를 들어, 복수의 서브-어레이들(405)의 조합을 물질의 넓은 표면 영역에 구현하는 이러한 일 방법은 미국 특허 출원공개번호 제2006/028353호에서 롤-투-롤 생산에 대해 기술되며, 상기 출원공개는 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다. 이러한 구조는 무수한 실시예들을 위한 에너지 수확 컴포넌트를 형성할 수 있고, 본 명세서에서 식별 및 논의를 위해 NEC 막이라 명명된다. 실시예에서, 제조 프로세스는 도핑(doping)을 요하지 않는다.This combination of a plurality of sub-arrays 405 may be implemented in large surface areas of the material produced by inexpensive methods. For example, one such method of implementing a combination of a plurality of sub-arrays 405 in a large surface area of material is described for roll-to-roll production in US Patent Application Publication No. 2006/028353, The disclosure is hereby incorporated by reference in its entirety. Such a structure can form an energy harvesting component for a myriad of embodiments and is termed an NEC film for identification and discussion herein. In an embodiment, the manufacturing process does not require doping.

도 8은 NEC 막 요소(801)를 이용하여 디바이스 또는 장치에 파워를 제공하기 위한 예시적인 전체 시스템도의 개략도이다. NMC 막 요소(801)는 파워 인버터(803)에 상호연결된다. 파워 인버터(803)는 NEC 요소(801)로부터의 DC 출력을 AC 전자 장비를 구동하거나 또는 로드(804)에서 이용가능한 파워로서 전기 그리드 내로 도입되기에 적절한 파워로 변환시킨다.8 is a schematic diagram of an example overall system diagram for powering a device or apparatus using the NEC membrane element 801. NMC membrane element 801 is interconnected to power inverter 803. The power inverter 803 converts the DC output from the NEC element 801 into a power suitable for driving AC electronic equipment or being introduced into the electrical grid as power available at the load 804.

본 발명의 다른 실시예에서, NEC 막은 MTPV 시스템에서 콜렉터(602)로서 역할한다. 도 6은 예컨대, 미국 특허 출원공개번호 제2010/0319749호에 기술되는 바와 같은 전형적인 MTPV 시스템의 개략도이며, 상기 출원공개는 본 명세서에 그 전체가 참조로서 포함된다. 종래의 MTPV 실시예에서, 에미터층(601)은 스페이서들(605)에 의해 윈도우 물질(603)로부터 최적의 서브-마이크론(sub-micron) 갭 거리 G에 위치된다. 그 다음, 윈도우 층(603)은 접착층(604)에 의해 콜렉터(602)에 부착된다. 본 발명의 실시예에 따라 MTPV 시스템에서 NEC 막을 콜렉터층(602)으로 사용할 때, NEC 막 콜렉터(602)는 방출되는 방사의 스펙트럼 컨텐트에 가장 잘 동조되도록 상기 참조 특허에 기술된 실시예들 중 어느 것에 구성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같은 열 소스에 관련하여 도 8에 도시된 바와 같은 포괄적 시스템으로의 콜렉터들(602)의 연결이 또한 구현된다. MTPV 시스템들에서 NEC 막(602)의 사용은 독특한 장점들을 제공하는 바, 그 이유는 MTPV의 층들을 통한 NEC 막(602)으로의 스펙트럼 출력은 NEC 층 내의 공진 요소 어레이의 주파수 스펙트럼 설계와 매칭될 수 있기 때문이다. 이는 효율성을 최적화하고, 시스템에서 열에 대한 에너지 손실을 감소시킨다.In another embodiment of the invention, the NEC membrane serves as the collector 602 in the MTPV system. 6 is a schematic diagram of a typical MTPV system as described, for example, in US Patent Application Publication No. 2010/0319749, which is incorporated by reference herein in its entirety. In a conventional MTPV embodiment, the emitter layer 601 is located at the optimal sub-micron gap distance G from the window material 603 by spacers 605. Window layer 603 is then attached to collector 602 by an adhesive layer 604. When using an NEC film as the collector layer 602 in an MTPV system in accordance with an embodiment of the present invention, the NEC film collector 602 best matches the spectral content of the emitted radiation. Can be configured to The connection of collectors 602 to a comprehensive system as shown in FIG. 8 in connection with a heat source as shown in FIG. 9 is also implemented. The use of the NEC film 602 in MTPV systems offers unique advantages because the spectral output to the NEC film 602 through the layers of the MTPV may be matched to the frequency spectrum design of the array of resonant elements in the NEC layer. Because it can. This optimizes efficiency and reduces energy loss to heat in the system.

본 발명의 실시예들은 열 소스들로부터 전기를 생성할 수 있기 때문에, 다양한 응용에서 유용하다. 도 7은 에미터에 의해 방출되는 에너지의 스펙트럼 컨텐트에 동조되는 NEC 막(703)을 사용하여 그 에너지를 수확하고 전기를 생성하는 종래의 TPV 디바이스를 도시한다. 종래의 TPV 디바이스에서, 에미터(701)는 화염(flame) 소스(704)에 의해 가열되고, 방사를 생성한다. 에미터(701)에 의해 생성되는 방사는 필터(702)를 통과한다. 필터(702)는 콜렉터의 콜렉션 밴드(band)에서 방사만을 통과시키도록 설계된다.Embodiments of the present invention are useful in a variety of applications because they can generate electricity from heat sources. 7 shows a conventional TPV device using NEC film 703 tuned to the spectral content of the energy emitted by the emitter to harvest that energy and generate electricity. In a conventional TPV device, emitter 701 is heated by flame source 704 and generates radiation. The radiation produced by emitter 701 passes through filter 702. The filter 702 is designed to only pass radiation in the collector's collection band.

본 발명의 실시예들에 의해 제공되는, 종래의 TPV 시스템에 대한 장점은 공진 구조들의 어레이들을 소스의 요건들에 동조시키는 능력이다. 예를 들어, NEC 막(703)을 콜렉터로서 사용하는 TPV의 실시예에서, 소스는 에미터(701)이다. 핫 에미터(hot emitter)는 흑체(black body)이며, 이의 방사 스펙트럼은 잘 알려져 있다. 유입 스펙트럼에 매칭되도록 하는 안테나 구조들의 설계 및 모델링이 미국 특허 제7,792,644호에 기술된다. 에미터(701)의 스펙트럼 출력에 피팅(fit)되는 콜렉터(703)를 생성하는 것은 필터(702)에 대한 요건들을 대단히 감소시키며, 심지어는 필터(702)의 필요성을 완전히 배제시킬 수 있다. 이는 종래의 TPV 시스템들에 대한 상당한 개선이다.An advantage over conventional TPV systems, provided by embodiments of the present invention, is the ability to tune arrays of resonant structures to the requirements of the source. For example, in an embodiment of TPV using NEC film 703 as a collector, the source is emitter 701. Hot emitters are black bodies and their emission spectra are well known. The design and modeling of the antenna structures to match the incoming spectrum is described in US Pat. No. 7,792,644. Creating a collector 703 that fits into the spectral output of emitter 701 greatly reduces the requirements for filter 702 and may even completely eliminate the need for filter 702. This is a significant improvement over conventional TPV systems.

심지어, 유입 스펙트럼에 대한 콜렉터(703)의 주파수 스펙트럼의 불완전한 매칭이 효과적인 수확을 수행할 수 있는 시스템을 생성할 수 있는 바, 그 이유는 접지 플레인(203)이 변환되지 않은 방사를 에미터에 다시 반영하기 때문이다. 일부 실시예들에서, 이 반영된 방사는 에미터에 존재하는 것과 혼합되며, 콜렉터에 표시된다. 이 방식으로, 기술된 콜렉터(NEC 막(801))만을 사용하는 간략화된 TPV 시스템은 상당한 퍼센티지의 이용가능한 열을 수확할 수 있다.Even incomplete matching of the frequency spectrum of the collector 703 to the incoming spectrum can create a system capable of performing an effective harvest, because the ground plane 203 returns the unconverted radiation back to the emitter. Because it reflects. In some embodiments, this reflected radiation is mixed with what is present in the emitter and displayed on the collector. In this way, a simplified TPV system using only the described collector (NEC film 801) can harvest a significant percentage of the available heat.

다른 실시예에서, 열은 도 9에 도시된 핫 소스(hot source)(901)로부터 캡쳐된다. 도 9는 열 소스(901) 및 콜렉터(902)의 도해를 도시한다. 콜렉터는 상기에 기술된 그리고 도 8의 시스템의 부분으로서의 NEC 막 요소이다. 이 실시에에서, 소스(901)로부터의 방사는 콜렉터(902)에 의해 수확을 위해 수집된다. 콜렉터(902)의 공진 구조들은 열 소스(901)의 방사 스펙트럼을 수집하기에 최적으로 동조된다. 이 실시예에서 열은 다양한 소스들, 예컨대 낭비 열, 직사 태양광(direct solar), 석탄과 같은 연소식 연료 소스들, 핵 생성 열, 등으로부터 방출될 수 있다. 이 소스들의 온도가 상당히 변화할 수 있기 때문에, 소스의 스펙트럼 출력에 동조된 공진 구조들을 갖는 NEC 막을 구축하는 능력은 기존 기술들에 비해 큰 장점이다.In another embodiment, heat is captured from the hot source 901 shown in FIG. 9 shows a diagram of a heat source 901 and collector 902. The collector is the NEC membrane element described above and as part of the system of FIG. 8. In this embodiment, radiation from the source 901 is collected for harvest by the collector 902. The resonant structures of the collector 902 are optimally tuned to collect the emission spectrum of the heat source 901. In this embodiment heat may be emitted from various sources, such as waste heat, direct solar, combustible fuel sources such as coal, nucleation heat, and the like. Since the temperature of these sources can vary significantly, the ability to build an NEC film with resonant structures tuned to the spectral output of the source is a significant advantage over existing technologies.

도 4의 안테나 어레이 내의 안테나들은 열 소스와 같은 방사 소스의 주파수 스펙트럼의 어떤 요구되는 커버리지(coverage)를 제공하도록 구성(예컨대, 동조)될 수 있다. 예를 들어, 방사의 스펙트럼의 최저 주파수에 동조된 안테나는 스펙트럼의 저단(low end)에서 방사되는 에너지를 수확할 수 있고, 다수의 주파수들 중 최고 주파수에 동조된 안테나는 주파수 스펙트럼의 고단(high end)에서 방사되는 에너지를 수확할 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, 안테나 어레이 내의 안테나들은 주파수 스펙트럼의 비균일한 커버리지를 제공하도록 구성된다.The antennas in the antenna array of FIG. 4 may be configured (eg, tuned) to provide any desired coverage of the frequency spectrum of a radiant source, such as a heat source. For example, an antenna tuned to the lowest frequency of the spectrum of radiation may harvest energy radiated at the low end of the spectrum, and an antenna tuned to the highest frequency of the plurality of frequencies may be a high end of the frequency spectrum. energy emitted at the end) can be harvested. For example, in an embodiment, the antennas in the antenna array are configured to provide non-uniform coverage of the frequency spectrum.

그러나, 방사 소스가 비-균일한 분포를 가진 방사를 방출할 수 있기 때문에, 안테나 어레이 내의 안테나들은 방출된 방사의 스펙트럼 분포를 보다 정확하게 근사화하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 열 소스들은 흑체 곡선(black body curve)에서의 방사를 방출한다. 따라서, 안테나 어레이 내의 안테나들은 전형적인 열 소스의 주파수 스펙트럼의 비-균일한 커버리지를 제공하도록 구성될 수 있다.However, because the radiation source can emit radiation with a non-uniform distribution, the antennas in the antenna array can be configured to more accurately approximate the spectral distribution of the emitted radiation. For example, heat sources emit radiation in a black body curve. Thus, the antennas in the antenna array can be configured to provide non-uniform coverage of the frequency spectrum of a typical heat source.

예를 들어, 흑체가 상기 커브의 중앙 부분들에서 자신의 에너지의 대부분을 방출하기 때문에, 실시예에서, 어레이 내의 많은 수의 안테나들은 이 중앙 부분 근처의 주파수들에 동조된다. 일반적으로, 실시예에서, 방사 소스의 스펙트럼 분포의 비-균일한 커버리지를 제공하는 것은 상기 방사 소스의 스펙트럼 분포를 근사화하는 히스토그램(histogram)에 따라 상기 방사 소스의 각각의 주파수 또는 주파수 범위에 다수의 안테나들을 할애(devote)할 수 있다. 열 소스 외의 다른 방사 소스들은 또한, 안테나 어레이 내의 안테나들이 동조되는 주파수들의 비-균일한 분포로부터 이득을 얻을 수 있다.For example, because a blackbody emits most of its energy in the central portions of the curve, in an embodiment, a large number of antennas in the array are tuned to frequencies near this central portion. In general, in an embodiment, providing non-uniform coverage of the spectral distribution of a radiation source is dependent upon a histogram that approximates the spectral distribution of the radiation source at multiple frequencies or frequency ranges of each of the radiation sources. You can devote antennas. Radiating sources other than the heat source may also benefit from a non-uniform distribution of frequencies to which the antennas in the antenna array are tuned.

추가적으로, 이 어레이들 내의 안테나들은 다양한 주파수의 안테나들을 표면에 걸쳐 고르게 분포시키도록 공간적으로 분포될 수 있다. 이러한 분포는 동일한 주파수의 안테나들의 군집화(clustering)를 회피하고, NEC 막의 전체 효율성을 증가시킬 수 있다. Additionally, the antennas in these arrays can be distributed spatially to evenly distribute the antennas of various frequencies across the surface. This distribution can avoid clustering of antennas of the same frequency and increase the overall efficiency of the NEC film.

공진 구조 및 전달 구조의 임피던스를 매칭시키는 것은 실시예들의 중요한 양상이다. 도 5는 이 임피던스들을 매칭하는 추가적인 방법을 도시한다. 도 5는 임피던스/저항을 감소시키도록 복수의 전달 구조들에 의해 연결되는 CPS를 가지는 안테나를 도시하는 개략도이다. 도 5의 실시예에서, 복수의 전달 구조들(103)은 전달 구조의 임피던스를 감소시키기 위해 공진 구조 컴포넌트들(101 및 102)에 병렬로 연결된다. 요구되는 이 전달 구조들의 수 및 위치는 전달 구조의 고유 임피던스 또는 저항의 크기에 좌우된다. 복수의 전달 구조들(103) 및 CPS(105)는 임피던스 매칭 및 다른 시스템 특성들을 최적화하기 위해 서로와 연계하여 조작(manipulate)될 수 있다. 예를 들어, 각각의 전달 구조는 제한된 양의 전류를 통과시키고, 안테나 회로에 저항 및 커패시턴스를 제시할 수 있다. 병렬의 복수의 전달 구조들은 저항 및 커패시턴스를 감소시킨다. CPS는 안테나 설계 분야에 익숙한 것으로 알려진 바와 같이 밸런싱을 돕기 위해 안테나(102)의 전달 구조(103)의 도면에 임피던스를 추가하는 역할을 한다.Matching impedance of the resonant structure and the transfer structure is an important aspect of the embodiments. 5 shows an additional method of matching these impedances. 5 is a schematic diagram illustrating an antenna having a CPS that is connected by a plurality of transfer structures to reduce impedance / resistance. In the embodiment of FIG. 5, the plurality of transfer structures 103 are connected in parallel to the resonant structure components 101 and 102 to reduce the impedance of the transfer structure. The number and location of these transfer structures required depends on the magnitude of the inherent impedance or resistance of the transfer structure. The plurality of delivery structures 103 and CPS 105 may be manipulated in conjunction with each other to optimize impedance matching and other system characteristics. For example, each transfer structure can pass a limited amount of current and present resistance and capacitance to the antenna circuit. Multiple transmission structures in parallel reduce resistance and capacitance. The CPS serves to add impedance to the diagram of the transfer structure 103 of the antenna 102 to assist in balancing, as is known in the art of antenna design.

본 발명의 다른 실시예들은 설계상 다른 전달 구조들을 포함할 수 있다. 도 10은 전달 구조(1001)가 공진 구조와 동일한 물질로 구성된 단일 층인 실시예를 도시한다. 도 11은 단일 층의 전달 구조가 공진 구조와 다른 물질로 구성된 실시예를 도시한다. 예를 들어, 공진 요소(101)는 최적으로는 Ag로 이루어질 수 있지만, Ni의 특성들이 전달 스루(transfer through)(103)에 영향을 주기에 최적일 수 있다. 이는 기술된 바와 같이 복수의 층들을 필요로 할 수 있다.Other embodiments of the present invention may include other delivery structures by design. FIG. 10 shows an embodiment where the transfer structure 1001 is a single layer composed of the same material as the resonant structure. 11 illustrates an embodiment in which the single layer transfer structure is composed of a material different from the resonant structure. For example, the resonating element 101 may optimally be made of Ag, but may be optimal for the properties of Ni to affect the transfer through 103. This may require a plurality of layers as described.

본 발명의 선호되는 실시예들의 상기 개시사항은 예시 및 설명을 위해 제시되었다. 이는 완전한 것으로 의도된 것 또는 개시된 정확한 형태들에 본 발명을 제한하고자 의도된 것이 아니다. 본 명세서에 기술된 실시예들의 많은 변형들 및 수정들이 상기 발명에 비추어 볼 때 이 기술 분야의 통상의 숙련자에게 분명해질 것이다. 본 발명의 범위는 첨부된 특허 청구 범위 및 이의 균등물에 의해서만 정의되도록 된 것이다.The above disclosure of preferred embodiments of the present invention has been presented for purposes of illustration and description. It is not intended to be exhaustive or to limit the invention to the precise forms disclosed. Many variations and modifications of the embodiments described herein will be apparent to those skilled in the art in light of the above invention. It is intended that the scope of the invention only be defined by the appended claims and equivalents thereof.

또한, 본 발명의 대표적인 실시예들을 기술함에 있어서, 본 명세서는 본 발명의 방법 및/또는 프로세스를 단계들의 특별한 시퀀스로서 제시했을 수 있다. 그러나, 방법 또는 프로세스가 본 명세서에 제시된 단계들의 특별한 순서에 의존하지 않는 정도까지, 상기 방법 또는 프로세스는 기술된 단계들의 특별한 시퀀스에 제한되지 않아야만 한다. 이 기술 분야의 통상의 숙련자가 이해하는 바와 같이, 단계들의 다른 시퀀스들이 가능할 수 있다. 그러므로, 본 명세서에 제시된 단계들의 특별한 순서는 특허 청구 범위에 대한 제한들로 해석되어서는 안 된다. 추가적으로, 본 발명의 방법 및/또는 프로세스에 관한 특허 청구 범위는 쓰여진 순서로 이들의 단계들을 수행하는 것에 제한되지 않아야만 하며, 이 기술분야의 숙련자는 이러한 시퀀스들이 다양할 수 있고, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 여전히 유지될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있다.In addition, in describing exemplary embodiments of the present invention, the present disclosure may have presented the method and / or process of the present invention as a particular sequence of steps. However, to the extent that the method or process does not depend on the particular order of steps set forth herein, the method or process should not be limited to the particular sequence of steps described. As will be appreciated by one of ordinary skill in the art, other sequences of steps may be possible. Therefore, the particular order of steps presented herein should not be construed as limitations on the claims. In addition, the claims relating to the methods and / or processes of the present invention should not be limited to performing their steps in the order in which they are written, and those skilled in the art will appreciate that such sequences may vary, and And can still be maintained within range.

Claims (42)

전자기 방사(electromagnetic radiation)를 전기 에너지로 변환하는 시스템으로서,
흑체 곡선(black body curve)을 근사화하는 방사를 방출하는 방사 소스(radiation source);
공진 구조 요소들의 복수의 서브어레이들, 각각의 서브어레이는 복수의 공진 구조 요소들을 포함하고, 각각의 공진 구조 요소는 상기 전자기 방사의 주파수 범위에 포함되는 공진 주파수(resonant frequency)에서 공진하도록 동조되며(tuned), 각각의 서브어레이에서 특정 주파수에 동조된 공진 구조 요소들의 개수는 상기 방사 소스의 스펙트럼 분포를 근사화하는 히스토그램을 따르고(in accordance with), 상기 전기 에너지는 상기 공진 주파수 또는 공진 주파수 인근의 주파수를 가지는 전자기 방사의 존재 하에서 상기 공진 구조 요소에서 스티뮬레이션(stimulation)되며;
상기 스티뮬레이션된 전기 에너지를 직류 전류(direct current)로 변환하도록 상기 공진 구조 요소 각각과 관련되는 전달 구조(transfer structure); 및
각각의 서브어레이의 상기 공진 구조 요소들을 직렬로 서로 연결하고 그리고 전력을 부하에 제공하는 전기 에너지 소스를 생성하도록 각각의 서브어레이들을 병렬로 서로 연결하는 버스
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
A system for converting electromagnetic radiation into electrical energy,
A radiation source that emits radiation that approximates a black body curve;
A plurality of subarrays of resonant structural elements, each subarray comprising a plurality of resonant structural elements, each resonant structural element tuned to resonate at a resonant frequency comprised in the frequency range of the electromagnetic radiation; tuned, the number of resonant structural elements tuned to a particular frequency in each subarray follows a histogram that approximates the spectral distribution of the radiation source, wherein the electrical energy is at or near the resonant frequency. Stimulated in the resonant structural element in the presence of electromagnetic radiation having a frequency;
A transfer structure associated with each of the resonant structural elements to convert the simulated electrical energy into direct current; And
A bus that connects the resonant structural elements of each subarray in series with one another in series and interconnects each subarray in parallel to create an electrical energy source providing power to the load
System for converting electromagnetic radiation into electrical energy comprising a.
제1항에 있어서,
상기 공진 구조 요소와 상기 전달 구조 간의 임피던스(impedance) 매칭을 제공하도록 상기 공진 구조 요소 각각 및 관련된 전달 구조에 결합된 CPS(co-planar strip)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 1,
Further comprising a co-planar strip (CPS) coupled to each of the resonant structural elements and the associated transfer structure to provide impedance matching between the resonant structural element and the transfer structure. System to convert.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 전달 구조는 MIIM(metal double insulator metal) 다이오드인 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 1,
At least one transfer structure is a metal double insulator metal (MIIM) diode.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 공진 구조 요소는 적어도 하나의 추가적인 전달 구조와 관련되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 1,
At least one resonant structural element is associated with at least one additional transmission structure.
제1항에 있어서,
적어도 하나의 전달 구조는 적어도 하나의 다이오드를 포함하고, 상기 다이오드 및 상기 공진 구조 요소 각각은, 상기 다이오드 및 상기 공진 구조 요소가 동일한 프로세스를 사용하여 제조될 수 있도록 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 1,
At least one transfer structure comprises at least one diode, each of the diode and the resonant structural element comprising at least one layer such that the diode and the resonant structural element can be fabricated using the same process. A system for converting electromagnetic radiation into electrical energy.
제4항에 있어서,
관련된 복수의 전달 구조들을 갖는 각각의 공진 구조 요소들에 대해, 상기 관련된 전달 구조 요소들은 상기 관련된 구조 요소들에 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 4, wherein
For each resonant structural element having a plurality of associated transfer structures, the associated transfer structure elements are connected in parallel to the associated structure elements.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 공진 구조에 의해 흡수되지 않은 방사를 상기 공진 구조에 다시 반영(reflect)하기 위한 접지 플레인(ground plane)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 1,
And a ground plane for reflecting radiation not absorbed by the resonant structure back into the resonant structure.
적외선 범위의 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템으로서,
상기 전자기 방사의 스펙트럼 범위(spectral range) 내의 에너지를 캡쳐하고 상기 캡쳐된 방사를 전기 에너지로 변환하기 위한 복수의 나노안테나들(nanoantennae), 상기 전자기 방사의 스펙트럼 범위 내의 임의의 특정 주파수에서 에너지를 캡쳐하도록 할당된 나노안테나들의 개수는 상기 전자기 방사의 스펙트럼 분포의 히스토그램을 따르고, 상기 히스토그램은 열 소스에 대한 흑체 스펙트럼 분포를 근사화하며; 그리고
부하에 전력을 제공하도록 상기 나노안테나들의 서브어레이들에 의해 생성된 변환된 전기 에너지를 취합하는 버스
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
A system for converting electromagnetic radiation in the infrared range into electrical energy,
A plurality of nanoantennaes for capturing energy within the spectral range of the electromagnetic radiation and converting the captured radiation into electrical energy, capturing energy at any particular frequency within the spectral range of the electromagnetic radiation The number of nanoantennas assigned to follow the histogram of the spectral distribution of the electromagnetic radiation, the histogram approximating the blackbody spectral distribution for the heat source; And
A bus that collects the converted electrical energy generated by the subarrays of the nanoantennas to provide power to the load
System for converting electromagnetic radiation into electrical energy comprising a.
제9항에 있어서,
상기 나노안테나들은 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼에 걸쳐 비균일한 커버리지(coverage)를 제공하도록 구성되며 그리고 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼의 중앙 부분에서 더 큰 커버리지를 제공하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
The nanoantennas are configured to provide non-uniform coverage over the frequency spectrum of the electromagnetic radiation and to provide greater coverage in the central portion of the frequency spectrum of the electromagnetic radiation. System that converts into electrical energy.
제9항에 있어서,
상기 나노안테나들은 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼에 걸쳐 비균일한 커버리지를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
And the nanoantennas are configured to provide non-uniform coverage over the frequency spectrum of the electromagnetic radiation.
제9항에 있어서,
상기 나노안테나들은 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼 분포에 근사(approximation)한, 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼의 커버리지를 제공하도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
And the nanoantennas are configured to provide coverage of the frequency spectrum of the electromagnetic radiation, approximating the frequency spectral distribution of the electromagnetic radiation.
제9항에 있어서,
각각의 나노안테나는:
공진 요소 쌍 - 상기 공진 요소 쌍은 상기 전자기 방사의 주파수 범위에 포함되는 제1 공진 주파수에서 공진하도록 동조된 제1 공진 요소 및 상기 전자기 방사의 주파수 범위에 포함되는 제2 공진 주파수에서 공진하도록 동조된 제2 공진 요소를 포함하고, 전기 에너지는 상기 제1 공진 주파수 또는 상기 제1 공진 주파수 인근의 주파수를 가지는 전자기 방사의 존재 하에서 상기 제1 공진 요소에서 스티뮬레이션되고, 전기 에너지는 상기 제2 공진 주파수 또는 상기 제2 공진 주파수 인근의 주파수를 가지는 전자기 방사의 존재 하에서 상기 제2 공진 요소에서 스티뮬레이션되며 - 과;
상기 제1 공진 요소들에 결합된 제1 CPS와;
상기 제2 공진 요소에 결합된 제2 CPS와; 그리고
각각의 공진 요소 쌍의 각각의 제1 및 제2 공진 요소에 스티뮬레이션된 상기 전기 에너지를 DC 전류로 변환하도록 상기 제1 및 제2 CPS들에 결합된 전달 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
Each nanoantenna is:
Resonant Element Pair-The resonant element pair is tuned to resonate at a first resonant element tuned to resonate at a first resonant frequency included in a frequency range of the electromagnetic radiation and a second resonant frequency included in a frequency range of the electromagnetic radiation. A second resonant element, wherein electrical energy is simulated at the first resonant element in the presence of electromagnetic radiation having a frequency near the first resonant frequency or the first resonant frequency, and electrical energy is simulated at the second resonant frequency. Or simulated at the second resonant element in the presence of electromagnetic radiation having a frequency near the second resonant frequency;
A first CPS coupled to the first resonating elements;
A second CPS coupled to the second resonating element; And
An electromagnetic radiation coupled to the first and second CPSs to convert the electrical energy simulated in each of the first and second resonant elements of each pair of resonant elements into a DC current. System to convert energy into electrical energy.
제9항에 있어서,
상기 나노안테나들은 막(film)에 포함되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
The nanoantennas are included in a film system for converting electromagnetic radiation into electrical energy.
삭제delete 제9항에 있어서,
전기 에너지 그리드(grid)를 더 포함하여 구성되며, 상기 나노안테나들은 상기 전기 에너지 그리드에 전기 에너지의 소스를 제공하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
And an electrical energy grid, wherein the nanoantennas provide a source of electrical energy to the electrical energy grid.
제9항에 있어서,
상기 나노안테나들에 의해 흡수되지 않은 방사를 상기 나노안테나들에 다시 반사하기 위한 접지 플레인(ground plane)을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
And a ground plane for reflecting the radiation not absorbed by the nanoantennas back to the nanoantennas.
제9항에 있어서,
상기 시스템은 TPV(thermo photovoltaic) 시스템이고, 상기 TPV 시스템은 열 소스(heat source) 및 콜렉터(collector)를 포함하며, 상기 콜렉터는 복수의 나노안테나들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
The system is a thermo photovoltaic (TPV) system, the TPV system includes a heat source and a collector, the collector comprising a plurality of nanoantennas as electrical energy. System to convert.
제18항에 있어서,
상기 콜렉터는 NEC 막 콜렉터(NEC film collector)인 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 18,
The collector is a NEC film collector (NEC film collector), characterized in that for converting electromagnetic radiation into electrical energy.
삭제delete 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법으로서,
복수의 서브어레이들을 제공하는 단계, 상기 서브어레이 각각은 상기 전자기 방사의 주파수 범위에 포함되는 공진 주파수에서 공진하도록 동조된 공진 구조 요소들을 포함하고, 각각의 서브어레이에서 특정 주파수에 동조된 상기 공진 구조 요소들의 개수는 방사를 방출하고 흑체 스펙트럼 분포를 근사화하는 방사 소스의 스펙트럼 분포를 근사화하는 히스토그램을 따르고, 상기 전기 에너지는 상기 공진 주파수 또는 공진 주파수 인근의 주파수를 가지는 전자기 방사의 존재 하에서 상기 공진 구조 요소 각각에서 스티뮬레이션되며;
상기 스티뮬레이션된 전기 에너지를 직류 전류로 변환하도록, 각각의 서브어레이 내의 각각의 공진 구조 요소와 전달 구조를 관련시키는 단계;
각각의 서브어레이 내의 각각의 공진 구조 요소들을 직렬로 연결하는 단계; 및
각각의 서브어레이를 병렬로 연결하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
As a method of converting electromagnetic radiation into electrical energy,
Providing a plurality of subarrays, each subarray comprising resonant structural elements tuned to resonate at a resonant frequency comprised in a frequency range of said electromagnetic radiation, said resonant structure tuned to a particular frequency in each subarray; The number of elements follows a histogram that approximates the spectral distribution of the radiation source that emits radiation and approximates a blackbody spectral distribution, wherein the electrical energy is in the presence of electromagnetic radiation having a frequency near or near the resonance frequency. Simulated in each;
Associating a transfer structure with each resonant structural element in each subarray to convert the simulated electrical energy into direct current;
Connecting each resonant structural element in each subarray in series; And
Connecting each subarray in parallel
Method for converting electromagnetic radiation into electrical energy comprising a.
제21항에 있어서,
상기 공진 구조 요소 및 상기 관련된 전달 구조 간의 임피던스 매칭을 제공하기 위해 상기 공진 구조 요소 각각과 상기 관련된 전달 구조에 CPS를 결합시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 21,
Coupling CPS to each of the resonant structural elements and the associated transfer structure to provide impedance matching between the resonant structure element and the associated transfer structure.
제21항에 있어서,
상기 전달 구조 각각은 MIIM 다이오드인 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 21,
Wherein each of said transfer structures is a MIIM diode.
제21항에 있어서,
적어도 하나의 추가적인 전달 구조를 상기 공진 구조 요소들 중 적어도 하나에 관련시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 21,
Associating at least one additional transmission structure with at least one of the resonant structure elements.
제21항에 있어서,
상기 전달 구조는 적어도 하나의 다이오드를 포함하고, 상기 다이오드 및 공진 구조 요소 각각은, 상기 다이오드 및 상기 공진 구조 요소가 동일한 프로세스를 이용하여 제조될 수 있도록 적어도 하나의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 21,
The transfer structure comprises at least one diode, and each of the diode and the resonant structural element comprises at least one layer such that the diode and the resonant structural element can be fabricated using the same process. How to convert radiation into electrical energy.
제24항에 있어서,
적어도 하나의 추가적인 관련된 전달 구조를 갖는 각각의 공진 구조 요소들에 대해, 상기 관련된 전달 구조들 각각을 상기 공진 구조 요소와 병렬로 연결하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 24,
For each resonant structural element having at least one additional associated transfer structure, connecting each of said associated transfer structures in parallel with said resonant structure element, converting electromagnetic radiation into electrical energy. How to.
삭제delete 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법으로서,
흑체 스펙트럼 분포를 근사화하는 방사 소스에 의해 방출된 전자기 방사의 스펙트럼 범위 내의 에너지를 캡쳐하도록 복수의 나노안테나들을 구성하는 단계, 상기 전자기 방사의 스펙트럼 범위 내의 특정 주파수에서 에너지를 캡쳐하도록 할당된 나노안테나들의 개수는 상기 전자기 방사의 스펙트럼 분포의 히스토그램을 따르며;
상기 캡쳐된 방사를 전기 에너지로 변환하는 단계; 및
부하에 전력을 제공하도록 상기 나노안테나들 각각으로부터 생산된 전기 에너지를 결합하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
As a method of converting electromagnetic radiation into electrical energy,
Configuring a plurality of nanoantennas to capture energy within the spectral range of electromagnetic radiation emitted by the radiation source approximating the blackbody spectral distribution, wherein the nanoantennas are assigned to capture energy at specific frequencies within the spectral range of the electromagnetic radiation. The number follows a histogram of the spectral distribution of the electromagnetic radiation;
Converting the captured radiation into electrical energy; And
Combining electrical energy produced from each of the nanoantennas to provide power to a load
Method for converting electromagnetic radiation into electrical energy comprising a.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들이 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼에 걸쳐 균일한 커버리지를 제공하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And allowing the plurality of nanoantennas to provide uniform coverage over the frequency spectrum of the electromagnetic radiation.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들이 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼에 걸쳐 비균일한 커버리지를 제공하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And allowing the plurality of nanoantennas to provide non-uniform coverage over the frequency spectrum of the electromagnetic radiation.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들이, 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼 분포에 근사한, 상기 전자기 방사의 주파수 스펙트럼의 커버리지를 제공하도록 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And allowing the plurality of nanoantennas to provide coverage of the frequency spectrum of the electromagnetic radiation, approximating the frequency spectral distribution of the electromagnetic radiation.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들을 막에 포함시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And incorporating the plurality of nanoantennas into a film.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들을 이용하여 전기 에너지로 전기 장치를 소싱(sourcing)하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And sourcing an electrical device with electrical energy using the plurality of nanoantennas.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들을 이용하여 전기 에너지로 전기 에너지 그리드를 소싱하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And sourcing an electrical energy grid with electrical energy using the plurality of nanoantennas.
제28항에 있어서,
상기 복수의 나노안테나들에 의해 흡수되지 않은 방사를 상기 복수의 나노안테나들에 다시 반사하기 위한 접지 플레인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
And a ground plane for reflecting back the radiation not absorbed by the plurality of nanoantennas into the plurality of nanoantennas.
제28항에 있어서,
상기 방법은 TPV 시스템에 채용되고, 상기 TPV 시스템은 열 소스 및 콜렉터를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 28,
The method is employed in a TPV system, the TPV system comprising a heat source and a collector.
제36항에 있어서,
상기 콜렉터는 NEC 막 콜렉터인 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 36,
And said collector is a NEC membrane collector.
제36항에 있어서,
콜렉터의 콜렉션 밴드(band)에서의 전자기 방사로 하여금 상기 콜렉터에 영향을 주도록 하는 어떠한 필터도 없는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 방법.
The method of claim 36,
And no filter for causing electromagnetic radiation in the collector's collection band to affect the collector.
TPV 시스템으로서,
a. 흑체 스펙트럼 분포를 근사화하는 스펙트럼 분포를 갖는 방사를 소싱하는 에미터(emitter);
b. 전자기 방사의 스펙트럼 범위 내의 에너지를 캡쳐하고 상기 캡쳐된 방사를 전기 에너지로 변환하도록 복수의 나노안테나 서브어레이들을 포함하는 콜렉터, 각각의 서브어레이는 하나 이상의 공진 구조들을 포함하고, 각각의 서브어레이에서 특정 주파수에 동조된 공진 구조들의 개수는 상기 에미터의 스펙트럼 분포를 근사화하는 히스토그램을 따르며; 그리고
c. 상기 나노안테나들의 서브어레이들에 의해 생성된 변환된 전기 에너지를 취합하는 버스
를 포함하는 것을 특징으로 하는 TPV 시스템.
TPV system,
a. An emitter that sources radiation having a spectral distribution that approximates a blackbody spectral distribution;
b. Collector comprising a plurality of nanoantenna subarrays to capture energy within the spectral range of electromagnetic radiation and convert the captured radiation into electrical energy, each subarray comprising one or more resonant structures, each subarray being specific The number of resonant structures tuned to frequency follows a histogram that approximates the spectral distribution of the emitter; And
c. A bus that collects the converted electrical energy generated by the subarrays of the nanoantennas
TPV system comprising a.
제39항에 있어서,
상기 콜렉터는 NEC 막인 것을 특징으로 하는 TPV 시스템.
The method of claim 39,
The collector is a TPV system, characterized in that the NEC film.
제39항에 있어서,
방출된 방사를 포커싱(focus)하는 어떤 필터도 없는 것을 특징으로 하는 TPV 시스템.
The method of claim 39,
TPV system, characterized in that no filter focuses the emitted radiation.
제9항에 있어서,
상기 나노안테나들은, 동일 주파수를 갖는 안테나들의 클러스터링을 회피하도록, 공간적으로 분산되는 것을 특징으로 하는 전자기 방사를 전기 에너지로 변환하는 시스템.
The method of claim 9,
And said nanoantennas are spatially dispersed to avoid clustering of antennas having the same frequency.
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